松辽流域有较多的西风带天气和气候特色，东部有地势较高的长白山屏障，海洋气候不易深入东北地区大陆，西部大兴安岭西坡平缓，与蒙古高原相接，西伯利亚的大陆气候系统较易伸入东北地区腹地，故东北地区有明显的大陆性气候特点，为温带大陆性季风气候区。冬季严寒漫长，夏季温湿而多雨，部分地区属寒温带气候。
　　本区南北纬度相差15，又有海拔海拔1500-2691米的山脉，因此气候条件既有纬度的变化又有垂直高度的变化。
　　1、气温
　　本流域气温特点是冬季严寒，夏季温热，年平均气温为-4℃～10℃，由西北向东南递增，大部分地区为2～6℃， 7月份的气温最高，并且南北差别不大，一般在20～25℃，极端最高气温为抚顺45℃；而一月份气温最低，南北差别较大，南部为-4℃，北部为-30℃，极端最低气温为黑龙江省最北部的漠河可达-52.3℃。
　　2、积温、日照和无霜期
　　本流域主要位于温带，农作物的生长期大于等于10℃的积温一般为1000～3600℃。一般农牧区为1500～3600℃，夏季温度较高，作物为一年一熟，水稻、玉米、高梁、小麦、大豆等作物都能生长。个别高寒区如大兴安岭北部积温低于1500℃，不适宜种植水稻、高梁等喜温作物。积温的变化由南向北递减。日照时数南北差别不大，但东西侧有差异，东部阴雨天较多，日照时数为2200～2400小时；西部晴天日数较多，日照时数为2600～3300小时，无霜期北部较短，一般为120～140天，最短只有90天，南部为140～160天，大连市无霜期达213天。
　　3、降水量
　　本区的年降水量及其季节分配，主要由季风环流水汽来源及地形等因素控制。多年平均降水量大致在300～1200毫米之间，在地区的分布上差别较大。东部较多，西部较少，由东向西北递减，辽东地区年降水量可达降水毫米以上，属湿润地区；西部科尔沁草原仅为靠毫米左右，为干旱带。降水年际变化的v值为0.1～0.3，降水高值v值较小。降水年内分配不均，6～9月降水占全年降水的。
　　4、本区蒸发量
　　（20厘米蒸发器观测）大部分在900～2000毫米之间。自西南向东北呈递减趋势。西辽河上游老哈河等地最大，达2000毫米以上；松辽平原由于温度高、风速大、湿度低，蒸发量在量在毫米以上，为全区蒸发量较大的地区；东部地区由于植被较好，蒸发量在量在毫米以下，其中长白山地、大小兴安岭山脊蒸发量不足900毫米。干湿分布：东部山区多为湿润区，丘陵多为半湿润区，平原多为半干旱区，西部为干旱区。